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El reto de la computación cuántica

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Computación cuántica

“Si crees que entiendes la física cuántica, no entiendes la física cuántica”. Esa cita se atribuye al físico Richard Feynman, pero no está claro si realmente lo dijo. He aquí una cita más fidedigna de Feynman de una publicación del MIT de 1995: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”.

Realidad cuántica

Ahora que tenemos eso fuera del camino, vamos a ver si hay algo que sabemos. La mecánica cuántica es rara. Esas diminutas partículas a nivel cuántico simplemente no se comportan como se esperaba. Las cosas son diferentes.

Las cosas locas están sucediendo en el universo cuántico. Ahí está la aleatoriedad intrínseca, la incertidumbre, el enredo. Todo parece un poco y mucho.

Ahora sabemos que los átomos y las partículas subatómicas actúan como si estuvieran conectados. Einstein llamó enmarañamiento cuántico “acción espeluznante a distancia”. Imagine dos objetos que están físicamente separados, pero se comportan de la misma manera, tienen las mismas propiedades y actúan como una sola. Ahora imagine que esos dos objetos están separados por 100.000 años luz. Extraño de hecho.

Hay más. El principio de incertidumbre en la mecánica cuántica dice que ciertas propiedades de las partículas no pueden ser conocidas. Añada a eso el problema de la decoherencia, que tiene algo que ver con el colapso de la función de onda. Y las versiones del experimento de doble hendidura parecen sugerir que un objeto cuántico puede estar en dos lugares al mismo tiempo, que la observación cambia la naturaleza de las partículas subatómicas, o que los electrones parecen haber viajado atrás en el tiempo.

Ahora usted ve por qué la construcción de una computadora cuántica puede ser un reto. Pero eso no impide que la gente lo intente.

La creación de un bit cuántico

El problema de la incertidumbre es que dificulta el cálculo. El objetivo siempre está en movimiento. E incluso si desarrollas algún sistema matemático, ¿cómo corregir los errores? Y pensabas que binario era difícil.

“Un qubit es un sistema mecánico cuántico que, en algunas circunstancias adecuadas, puede ser tratado como teniendo sólo dos niveles cuánticos”, dice el profesor Andrea Morello de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia. “Y una vez que tienes eso, puedes usarlo para codificar información cuántica.”

Es más fácil decirlo que hacerlo. Los ordenadores cuánticos actuales todavía no son muy potentes. Todavía están tratando de conseguir los bloques de construcción.

Un bit cuántico, también conocido como un qubit, tiene exponencialmente más potencial que el bit clásico en la computación digital binaria. Una partícula elemental puede estar en múltiples estados simultáneamente, una cualidad conocida como superposición. Mientras que un bit clásico puede estar en cualquiera de dos estados (uno o cero), un qubit puede estar en ambas posiciones al mismo tiempo.

Piense en una moneda. Tiene dos lados: cabezas o colas. Una moneda es binaria. Pero imagínese que usted tira la moneda en el aire y sigue tirando indefinidamente. ¿Mientras que está tirando, es cabezas o es colas? ¿Qué será si alguna vez aterriza? ¿Cómo se puede cuantificar la moneda de volteo? Es un intento débil de ilustrar la superposición.

Entonces, ¿cómo hacer un qubit? Bueno, si los físicos cuánticos no entienden la mecánica cuántica, entonces difícilmente podríamos manejar una explicación adecuada aquí. Vamos a conformarnos con una lista de las tecnologías que se están probando para crear qubits:

  • Circuitos superconductores
  • Qubits de spin
  • Trampas de iones
  • Circuitos fotónicos
  • Trenzas topológicas

El más popular de estos son los dos primeros. Los otros son temas de investigación universitaria. En la primera técnica, los superconductores son superenfriados para eliminar la interferencia electromagnética. Pero los tiempos de coherencia son relativamente cortos y las cosas se descomponen. El profesor Morello está trabajando en la técnica de spin. Las partículas cuánticas tienen carga eléctrica, como lo hacen los imanes. Mediante el envío de pulsos de microondas, es capaz de obtener un electrón para girar en lugar de hacia abajo, lo que crea un transistor de un solo electrón.

Luego queda la cuestión de tolerancia a fallos y corrección de errores. Los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara han logrado alcanzar el 99,4 por ciento de fidelidad con sus puertas qubit. Han alcanzado el 99,9 por ciento de fidelidad de puerta en la Universidad de Oxford. Entonces, ¿estamos allí todavía?

Inteligencia artificial cuántica

Edwin Cartlidge hace esta pregunta en un artículo de octubre de 2016 para Optics & Photonics News. Una advertencia de ETSI en 2015 de que las organizaciones deberían cambiar a las técnicas de encriptación “cuántica segura” debería decirle que algo está en el horizonte.

Google, Microsoft, Intel e IBM están todos en el juego. Uno de los umbrales que Google persigue es algo que han denominado “supremacía cuántica”. Se usa para describir ese punto en el cual un ordenador cuántico hace algo que una computadora clásica no puede.

IBM planea lanzar una computadora cuántica “universal”, según David Castelvecchi en Scientific American. Apodado “IBM Q”, será un servicio basado en la nube disponible a través de Internet por una tarifa. Usted puede obtener una muestra de lo que están trabajando probando su Quantum Experience, ahora disponible en línea. Pero Castelvecchi dice que ninguno de estos esfuerzos son más poderosos que los ordenadores convencionales. La supremacía del quantum todavía no se ha establecido.

Como se informó en 2013, Google tiene un montón de aplicaciones para una computadora cuántica madura, una vez desarrollado. Microsoft está trabajando en computación cuántica topológica. Varias startups están aumentando, y mucho trabajo se está haciendo en el campo. Pero algunos expertos advierten que el plato puede no estar completamente cocinado todavía. “No estoy haciendo ningún comunicado de prensa sobre el futuro”, dice Rainer Blatt en la Universidad de Innsbruck en Austria. Y el físico David Wineland dice: “Soy optimista a largo plazo, pero lo que significa” a largo plazo “, no lo sé.”

Incluso cuando la supremacía de la computación cuántica se logra, no busque que reemplace su computadora portátil en el corto plazo. Las computadoras cuánticas, al igual que sus homólogos binarios en los primeros días, pueden ser dispositivos especializados dedicados a propósitos específicos. Uno de los usos más comunes al tener una computadora cuántica sería simular la mecánica cuántica. Aparte de las operaciones intensivas de la computadora como la predicción del tiempo, el uso de la computación cuántica puede ser centralizado y limitado a la nube. Por supuesto, que puede ser el lugar perfecto para ello.

El profesor Morello identificó claramente el reto principal de la computación cuántica. Antes de que puedas empezar a codificar información, tienes que ser capaz de establecer dos niveles cuánticos discretos con el qubit. Una vez logrado, la computación cuántica “le da acceso a un espacio de computación exponencialmente mayor” que una computadora clásica. Un ordenador cuántico, por ejemplo, con 300 qubits (N qubits = 2N bits clásicos) sería capaz de procesar más bits de información que partículas en el universo.

Eso es un montón de bits. Pero llegar de aquí a allá va a tomar algo.

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